CN104019001B - 一种组合式风轮叶片及含有其的风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式风轮叶片及含有其的风力发电机组，相邻组合段的对接端面分别连接内、外法兰盘；内、外法兰盘插合，且插合部分的侧壁交汇形成一个矩形槽；矩形槽分为多段，且在相邻段间的外法兰盘上设有开口(楔形条带插入口)；风轮叶片还包括与矩形槽段数相等的多组楔形条带，每组楔形条带中的左右两只楔形条带分别反向从同一段矩形槽两端的开口插入矩形槽内，与矩形槽形成过盈配合；在矩形槽分段处的开口部位还固定有连接堵头。本发明结构简单，连接可靠、组装简捷、生产效率高，并能保障叶片的气动外形，可以大大降低大型风轮叶片的制造和运输难度，降低生产和运输成本，提高生产和运输效率，实现现场的快速组装。

Description

一种组合式风轮叶片及含有其的风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电机组部件、风轮叶片领域，具体地，涉及一种组合式风轮叶片及含有其的风力发电机组。

背景技术

风力发电是一种洁净的可再生绿色能源，其开发利用已成为二十一世纪世界各国争相采用的一种能源形式。叶片气动外形的改进和叶片长度的增加是提高风力发电功率的重要技术手段。因此，大型叶片的设计和制造就成为风电技术中的一个重要环节。目前叶片长度已从30多米达到了近70米。这就极大地增加了大型风轮叶片的制造和运输的难度。制造和运输效率低下、成本增高、并具有很大的风险性，这些不利因素已成为大型叶片生产、运输的巨大阻力。因此，组合式风轮叶片是大型风轮叶片发展的必然趋势。组合式风轮叶片采用分段制造，分段运输和现场组装技术，这一技术降低了制造和运输难度，提高了生产和运输效率，降低了生产及运输成本，是解决上述问题最有效的技术途径。

通过对现有专利的分析可将组合式(或称分段式)风轮叶片主要的连接方式归纳为以下三种：

1)轴杆式螺接法，代表专利US2011091326A1；

2)螺接法，螺接法又可分为以下三种：

a)预埋螺栓连接法，代表专利CN101718250A；

b)T型螺杆连接法，代表专利CN202596993U；

c)压板式螺接法，代表专利EP1244873B1。

3)对插式端面胶粘连接法，代表专利CN201210212757.8。

轴杆式螺接法是在叶片内部采用穿心连杆方式将两段叶片连接在一起，叶面外表面在静态时是平滑的，由于连杆仅为中心一点连接，叶面受风力作用旋转时在气动外力及扭矩作用下，其对接面因变形会产生缝隙和阶梯进而产生扰流，降低了叶片获取风能的效率。

三种螺接式连接均会造成叶面不平整，组装后需填补螺栓槽或对螺接凸出部位加装整流罩等工作，且组装工作较繁琐，而且还要承担螺栓松动或断裂的风险。

对插式端面胶粘连接法其可靠性值得怀疑，这种方法最大的问题是在风场现场使用树脂胶粘和手糊及固化工艺，其实现难度很大。

由此可见，上述现有的组合式风轮叶片在连接方式上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种结构简单、连接强度高、可靠性好、操作简便快捷的组合式风轮叶片，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于克服上述几种连接方式的缺点和不足，提供一种结构紧凑、连接可靠、制造方便、安装简单快捷的组合式风轮叶片，以大大降低大型风轮叶片的制造和运输难度，降低生产和运输成本，提高生产和运输效率，实现现场的快速组装。

本发明的另一个目的是提供一种含有结构紧凑、连接可靠、制造方便、安装简单快捷的组合式风轮叶片的风力发电机组。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种组合式风轮叶片，所述叶片为两段以上的组合形式，所述相邻组合段的对接端面中的一个端面连接外法兰盘，另一个连接内法兰盘；所述外法兰盘与内法兰盘插合，且插合部分的内法兰盘外侧壁与外法兰盘内侧壁交汇，所述内法兰盘外侧壁上及外法兰盘内侧壁上分别设置有沿叶片宽度方向设置的凹槽，所述凹槽对合，形成一个截面为矩形的矩形槽；所述矩形槽分为多段，且在相邻段间的外法兰盘上设有开口，所述开口为楔形条带插入口；所述风轮叶片还包括多组楔形条带，所述楔形条带的组数与矩形槽的段数相等；每组楔形条带由左右两只楔形条带组成，且每组楔形条带中的左右两只楔形条带分别反向从同一段矩形槽两端的开口处插入矩形槽内，与矩形槽形成过盈配合；在矩形槽分段处的开口部位还固定有连接堵头。

进一步地，所述矩形槽分为上、下两段，所述开口分别为前缘开口及后缘开口，所述连接堵头分别为前缘连接堵头、后缘连接堵头。

进一步地，所述内法兰盘为分体式结构，在内法兰盘前缘和后缘处分割为上、下两段。

进一步地，所述外法兰盘为分体式结构，由所述前缘开口、后缘开口处分为上、下两段。

进一步地，所述前缘连接堵头、后缘连接堵头分别安装在外法兰盘的前缘和后缘的开口处并用内六角螺栓固定在内法兰盘上，且所述前缘连接堵头、后缘连接堵头与叶片翼型曲面相一致。

进一步地，在所述相邻组合段的对接端面中的靠近叶根的一侧端面连接外法兰盘，远离叶根的一侧端面连接内法兰盘。

进一步地，所述法兰盘的靠近叶片连接端设置有加强板，所述加强板插在与其连接的叶片的纤维铺层中，通过树脂的粘接与叶片壳体连接为一体。

进一步地，所述加强板呈矩形，且为多块，分别焊接在法兰盘与叶片壳体连接端面上；所述加强板插在纤维铺层厚度的二分之一处。

进一步地，还包括雷电流引下线，所述雷电流引下线的一端用螺栓固定在法兰盘上，雷电流引下线的另一端与设置在叶尖处的叶尖接闪器相接，或与同一组合段另一端的法兰盘相接，或与叶根相接。

进一步地，所述内、外法兰盘组成的整体作为接闪器与地线相接。

一种风力发电机组，含有上述的风轮叶片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、组合式风轮叶片采用楔形条带连接式的法兰连接结构，其张力和强度可以满足两组合段可靠连接的需求，在目前的组合式风轮叶片中未发现采用该技术的相关报道。楔形条带连接的最大的优点是连接后的叶片壳体外表面平整光滑，气动性能好，流体阻力和噪音与整体结构叶片相同；连接结构紧凑，重量轻，组合方式简单快捷，可降低生产难度，提高生产效率，降低生产成本，实现组合化大型风轮叶片的批量生产，基本不需要维护因此维护费用较低；可提高叶片运输性能和运输速度，降低运输成本，促进大型风力发电机组的发展和普及。

2、内、外法兰盘采用分体式结构，更适合于叶片壳体的多曲面形地组装，也可保证楔形条带在安装中产生的张力。

3、通过在分段的开口处安装连接堵头，使法兰盘形成封闭的结构体，大大提高了法兰盘的刚性，防止楔形条带的窜出，也保证了叶片的气动外形。

4、通过对接端面的靠近叶根侧设置外法兰盘、远离叶根侧设置内法兰盘，两者配合插合设置，更适合风轮叶片的组装，使受力更加合理。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为组合式风轮叶片的内、外法兰盘连接原理示意图；

图2为带加强板的分体式外法兰盘结构示意图；

图3为带加强板的分体式内法兰盘结构示意图；

图4为楔形条带组合示意图；

图5为前缘连接堵头示意图；

图6为后缘连接堵头示意图；

图7为两段组合式风轮叶片示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点得到更好的阐述，结合具体实例和附图，对本发明作详细说明。

为克服现有组合式风轮叶片连接方式存在的问题，本发明提供了一种组合式风轮叶片，各组合段之间采用楔形条带连接式的法兰连接结构进行连接。

下面仅以两段组合式的风轮叶片为例进行详细说明，其他多段组合参考两段组合。

如图7所示，风轮叶片包括第一组合段1和第二组合段2，两者的对接端面中，其中靠近叶根的一侧端面连接外法兰盘3，远离叶根的一侧端面连接内法兰盘4。

配合图1、2、3所示，外法兰盘3与内法兰盘4插合，且插合部分的内法兰盘4外侧壁与外法兰盘3内侧壁交汇，内法兰盘4外侧壁上及外法兰盘3内侧壁上分别设置有沿叶片宽度方向设置的凹槽41、31，凹槽41、31对合，形成一个截面为矩形的矩形槽。

上述矩形槽分为两段，在相邻段间的外法兰盘上设有开口，该开口作为楔形条带插入矩形槽的插入口；通过上述分段设置，可以满足楔形条带插入矩形槽后的张力需求，使法兰连接结构更加合理。

由于叶片壳体呈多曲面形，为了方便安装，将开口设置在外法兰盘的前缘、后缘，分别为前缘开口51、后缘开口52。如图2所示，前缘开口51、后缘开口52将外法兰盘3分成上、下两段的分体式结构；如图3所示，为了方便叶片的制造，内法兰盘4也为分体式结构，在内法兰盘4前缘和后缘处分割为上、下两段。其中图3所示的内法兰盘4前缘设有堵头对接端面。

具体地，上述内法兰盘4、外法兰盘3需通过图4所示的楔形条带连接，左右两只楔形金属条带61、62组成一组楔形条带，且每组楔形条带中的左右两只楔形金属条带61、62分别反向从同一段矩形槽两端的开口处插入矩形槽内，与矩形槽形成过盈配合。

在矩形槽分段处的前缘开口51固定有前缘连接堵头71(配合图5所示)，其与叶片翼型曲面相一致，外形为曲面型。在后缘开口52处固定有后缘连接堵头72(配合图6所示)，其与叶片翼型曲面相一致，外形为多曲面型。其中，前缘连接堵头71、后缘连接堵头72分别与内法兰盘用内六角螺栓连接起来，具体地，在上、下两段外法兰盘3连接处两端分别打有螺栓通过孔；在内法兰盘4连接处两端分别打有螺纹孔。前缘连接堵头71采用两支内六角螺栓连接。后缘连接堵头72采用两支内六角螺栓连接。

上述仅列举了开口设置在外法兰盘的前、后缘处，除此之外，本领域技术人员也可依据叶片宽度在外法兰盘上半部及下半部中增加开口以适应楔形条带的比例要求。

为保证法兰盘与叶片壳体的连接强度和可靠性，如图2、3、7所示，在内、外法兰盘4、3尾端(靠近叶片壳体连接端)焊接多块矩形加强板8，加强板8插在与其连接的叶片的玻璃(碳)纤维的铺层9中，通过环氧树脂的粘接作用与叶片壳体成为一体。

法兰盘与叶片壳体连接区域使用纤维增强层实现，纤维增强层铺层为：以叶片大梁和芯材为中心面，对称叠层铺设，增强方向为0/±45°的玻璃(碳)纤维织物。连接区域远端至近端的纤维增强层厚度平缓递增，最近端的纤维增强层为等厚层，当铺层铺到二分之一时将带有加强板8的法兰盘安装在叶片制作工装上，再继续铺层时将加强板8铺在其间中。

先将裁切好的增强方向为0/±45°的玻璃纤维织物按照设计要求进行叠层铺设，再进行大梁的安装和芯材铺设，然后以大梁和芯材为中心面对称铺设增强方向为0/±45°的玻璃(碳)纤维织物。第一组合段1、第二组合段2的与法兰盘连接区域远端至近端的纤维增强层厚度平缓递增，最近端的纤维增强层为等厚层。用负压灌注工艺即可制造出组合式风轮叶片分体壳体，再经抗剪腹板安装、合模、固化、脱模等工艺后即可制造出组合式风轮叶片的各组合段。

组合式风轮叶片各组合段制作完成后，将雷电流引下线的一端用螺栓固定在法兰盘上，雷电流引下线另一端或与叶尖接闪器相接，或与同一组合段另一端的法兰盘相接，或与叶根相接。

由于法兰盘为金属材料制备并安装在机组的最高处，必然会遭到雷电流的冲击，为保护叶片及机组的安全，内、外法兰盘整体可作为接闪器与地线相接提供一条雷电流通路。具体地，分体式的内、外法兰盘的各段尾部均设有地线连接孔。

综上所述，本发明的组合式风轮叶片，是通过外法兰盘与内法兰盘插装形成矩形槽，将楔形条带插入其间即可完成组合式风轮叶片的组装，各组合段叶片连接后可以保证叶片在动态运行中气动外形平整、光滑，不影响气动性能和机械性能，其装配步骤如下：

1)在风场安装时，使用叶片对接工装将第一组合段1与第二组合段2进行定位和导入使第二组合段2上连接的内法兰盘4插入到第一组合段1上连接的外法兰盘3中；

2)将两只楔形条带自尖部从外法兰盘后缘开口52分别插入法兰盘上段和下段的矩形槽中；

3)将另两只楔形条带自尖部从外法兰盘前缘开口51分别插入法兰盘上段和下段的矩形槽中，最后用压入装置将楔形条带全部压入矩形槽中；

4)用内六角螺栓将前缘连接堵头71安装在外法兰盘的前缘开口51处；

5)用内六角螺栓将后缘连接堵头72安装在外法兰盘的后缘开口52处；即可完成组合式风轮叶片的组装工作。

现有的风力发电机组，其中的组合式风轮叶片均可采用上述的连接方式，具有连接结构简单、可靠性强，安装简便易行的优点，可促进大型风力发电机组的发展和普及。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的一个实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对上述实例所给出的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种组合式风轮叶片，所述叶片为两段以上的组合形式，其特征在于，所述相邻组合段的对接端面中的一个端面连接外法兰盘，另一个连接内法兰盘；

所述外法兰盘与内法兰盘插合，且插合部分的内法兰盘外侧壁与外法兰盘内侧壁交汇，所述内法兰盘外侧壁上及外法兰盘内侧壁上分别设置有沿叶片宽度方向设置的凹槽，所述凹槽对合，形成一个截面为矩形的矩形槽；

所述矩形槽分为多段，且在相邻段间的外法兰盘上设有开口，所述开口为楔形条带插入口；所述风轮叶片还包括多组楔形条带，所述楔形条带的组数与矩形槽的段数相等；每组楔形条带由左右两只楔形条带组成，且每组楔形条带中的左右两只楔形条带分别反向从同一段矩形槽两端的开口插入矩形槽内，与矩形槽形成过盈配合；在矩形槽分段处的开口部位还固定有连接堵头。

2.根据权利要求1所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述矩形槽分为上、下两段，所述开口分别为前缘开口及后缘开口，所述连接堵头分别为前缘连接堵头、后缘连接堵头。

3.根据权利要求2所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述内法兰盘为分体式结构，在内法兰盘前缘和后缘处分割为上、下两段。

4.根据权利要求2所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述外法兰盘为分体式结构，由所述前缘开口、后缘开口分为上、下两段。

5.根据权利要求2所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述前缘连接堵头、后缘连接堵头分别插在外法兰盘的前缘和后缘开口处并用内六角螺栓与内法兰盘连接起来，且所述前缘连接堵头、后缘连接堵头与叶片翼型曲面相一致。

6.根据权利要求1～5任一项所述的组合式风轮叶片，其特征在于，在所述相邻组合段的对接端面中的靠近叶根的一侧端面连接外法兰盘，远离叶根的一侧端面连接内法兰盘。

7.根据权利要求1～5任一项所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述法兰盘的靠近叶片连接端设置有加强板，所述加强板插在与其连接的叶片的纤维铺层中，通过树脂的粘接与叶片壳体连接为一体。

8.根据权利要求7所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述加强板呈矩形，且为多块，分别焊接在法兰盘与叶片壳体连接的端面上；所述加强板插在纤维铺层厚度的二分之一处。

9.根据权利要求1～5任一项所述的组合式风轮叶片，其特征在于，还包括雷电流引下线，所述雷电流引下线的一端用螺栓固定在法兰盘上，雷电流引下线的另一端与设置在叶尖处的叶尖接闪器相接，或与同一组合段另一端的法兰盘相接，或与叶根相接。

10.根据权利要求1～5任一项所述的组合式风轮叶片，其特征在于，所述内、外法兰盘组成的整体作为接闪器与地线相接。

11.一种风力发电机组，其特征在于，含有权利要求1～10任一项所述的风轮叶片。